于2008年开始的中国地学史上最大的科学专项——中国“深部探测技术与实验研究”专项，在默默运行3年后，于2011年进入关键阶段，包括“超级科学钻”在内的一系列关键工程都会在近期有所突破。为此，本刊记者采访了“云南腾冲火山-地热-构造带科学钻探选址预研究”课题负责人、中国科学院地质与地球物理研究所刘嘉麒院士。让我们一起来了解科学钻探这个“伸入地球内部的望远镜”的功能。
对于脚下这颗星球，我们了解得并不比宇宙中任何一个星球更多。“人类已经可以上到月球，但是，对于地球的勘探才仅有10公里，还没有人下去过。”就像刘嘉麒院士说的：“上天难，入地更难。”
以查明地下地质情况为目的的深部科学钻探不同于油气钻探，油气钻探不需要岩心，找到油气层即达到目的。而科学钻探的孔位一般都选在地壳尽可能裸露的结晶岩地区，并且要求采取完整的岩心，必要时还要进行相关的测井工作，比如对地温、地质结构测量：钻杆把地下物质取出来，在打出的钻孔里，研究人员可以把探头送下去，并借此观测几千米以下的地层状态，甚至还可以通过拍照获取地下资料。
“要想把几千米深的岩石完完整整地取上来，是相当不容易的。”刘嘉麒告诉记者。由于结晶岩石比较坚硬，钻头在深入地下后，平均每深入100米，温度就会上升1℃，要在高温（150〜400℃）、高压（100〜150MPa）状态下进行工作，钻头的材质通常为金刚石，而且，到达孔底部的钻头和探测设备都要耐高温、耐高压。刘嘉麒说：“在地表，我们看起来相当坚硬的钢钻，到了几千米的地下就像面条一样。”为了控制这根儿“面条”，工作人员每次打钻都必须测量井深和井斜。每打三四米之后，就需要把钻杆提上来取出岩心，再次下钻之前，还需测量钻孔有没有打偏，如果偏了就得想办法矫正。
在借鉴国际大陆科学钻探技术经验的基础上，我国地质工作者创造出的一套先进的深孔钻探技术体系，采用独创的螺杆马达＋液动锤＋金刚石取心，钻进效率提高近一倍，岩心采取率达85%；像食肉动物牙齿形状的钻头解决了地层坚硬、扩孔钻进效率低、钻头和钻具磨损严重等一系列问题。
深部探测专项部署图
7个钻探点分别为：1.金川铜镍硫化物矿集区；2.西藏罗布莎铬铁矿区；3.云南腾冲火山-地热构造带；4.山东莱阳盆地南/北板块边界；5.于都-赣县矿集区；6.铜陵矿集区；7.庐枞火山岩盆地
解决最紧要的问题
从38亿年古老的华北克拉通到2500万年前新崛起的喜马拉雅山，辽阔的疆土之下，将是怎样一番天地呢？
我们脚下的地球，充满活力，地球内部岩浆伴随地壳运动上升，喷涌而出，呈现奇特的地貌。但实际上，并非所有的熔融物质都能到达地表，它们中的大多数都停留在某种深度，冷却变为火成岩。岩浆在深处结晶时，不断地排出某些元素，而富集另一些元素，其组成部分被重新分配，形成不同的矿产资源。如果说岩浆是金属元素最初的携带者，就意味着越往地球深处金属矿物可能越多。然而，就目前来看，我国现在矿产资源的平均勘探深度仅为300〜500米。“总有些声音称我国资源匮乏，但实际上这种说法并不准确，现在我们找的资源只是皮毛。”刘嘉麒说：“即便我们对矿产资源勘探的平均深度可以到达1000米，那么获得的矿产不知道要多出多少。”
在“深部探测技术与实验研究”专项成立之初，“大陆科学钻探选址和科学钻探实验”项目组的专家根据已有资料，精心挑选了5个区域开展钻探选址研究，它们是中国地质关键问题的缩影：金川铜镍硫化物矿集区是我国最大的镍、铜、钴、铂族金属基地，也是世界巨型矿集区之一，在此开展科学钻探，将益于了解矿产资源集聚区的成矿背景、成矿条件和深部找矿前景；山东莱阳盆地地处华北与扬子板块的边界，在此获得的深部地质资料，将揭示造山带构造演化与盆地发育之间的关系；东部矿集区（于都-赣县矿集区、铜陵矿集区、庐枞火山岩盆地及矿集区）是地壳浅层金属巨量堆积的特殊地质单元。岩浆作用深部过程和矿集区成矿有着怎样的关系？矿集区深部是否存在大型、超大型矿床？这些疑问都期待着深部钻探数据。
作为“万米钻探”首选靶区的西藏罗布莎，是中国最大的铬铁矿。铬是一种有光泽的金属，铬铁是生产不锈钢不可替代的原材料，在我国一直是短缺矿种。世界上原生的铬铁矿床有两种：层状铬铁矿床产于前寒武纪的大型层状镁铁-超镁铁侵入杂岩体内；豆荚状铬铁矿因断续出露豆荚状而得名，主要产在显生宙造山带的蛇绿岩中。我国发现的少数几个铬铁矿都属于豆荚状铬铁矿。研究罗布莎超镁铁岩体的深部变化和矿物组合，将有望了解蛇绿岩铬铁矿的成矿机制和找矿标志，此外，对于深部地幔动力学的研究也具有特别意义。
“之所以选择这7个地方，完全是量米下锅，解决最紧要的问题。”刘嘉麒说：“西藏罗布莎有铬铁矿，而腾冲是火山区和构造区，在这里打钻可以把地质结构搞清楚。”云南腾冲地处印度洋板块和欧亚大陆碰撞的前缘，是青藏高原东南缘地质构造最复杂、岩浆活动最活跃的地区。对这一地区开展科学钻探实验，有望帮助科学家了解地震的发生机制和火山喷发的原理。刘嘉麒说：“汶川往南延伸就到腾冲了，腾冲今年也发生了地震，研究地震就要研究地质构造，光靠地表的工作是不行的，一般来说地球物理学的方法也能得到一些信息，但往往分辨率不够，另一方面获得的答案是可以多解的。最后解决问题还是需要知道是什么物质。”
【左上】罗布莎科学钻探现场；【右上】从罗布莎科学钻探预导孔取出的岩心；【下】罗布莎科学钻探开钻以来，受到了国际地学界的关注，很多著名科学家都慕名到罗布莎考察，其中包括英国、俄罗斯、加拿大、丹麦、埃及和瑞典等国科学家。
研究地震，现在人类已经有了很多方法：用地震波测定地震的大小和地点，模拟理想状态下的断层破裂和地面震动，还可设计出足以抵御近震的房屋等等。但想要真正了解地震，还需要有关地下深部断层的受力情况和演化进程相关的基础数据。只有知道了断层滑动过程中的应力分布特征，才有可能预测断层的破裂时间。对于地震后断层如何演化以及是否会再次造成地震等问题，我们一无所知。如果能寻求到一些特殊的地质特征，将孕育地震的断层与缓慢释放应力的断层区分开来，对于地震预测将具有特别的意义，而科学钻探将为此提供最直接的研究材料。
“我们已经确定了在哪儿打钻，第一钻设计两千多米，先打一钻看，然后根据情况，再来研究第二钻在哪儿打。”在谈到腾冲科学钻探进度时，刘嘉麒说：“我们预计把地层程序都打通，甚至看看下面有没有岩浆，根据现有的地球物理的信息，地下7公里深的地方可能有岩浆房，虽然打不到，但根据其他的地热资料我们可以推算出来。”
开展科学钻探，寻找科学的数据，只是“挺进地心”的第一步。随着项目深入，或将有更多的钻孔助力地质学家控制区域地质结构和深部物质，伴随“大陆电磁参数标准网实验研究”等其他8个项目的发展，这5个区域几千米以下的地质结构将浮出地平面。而这仅仅是“点”，要使中国主要区域地下4000米变得“透明”，必须汇点成面，那还需要将科学钻探实验扩大到更广阔的地域。届时，呈现在人们面前的将是一个立体的地下中国。
请 登录 发表评论
赞(-1)
